DK150022B - Holdeindretning til et rotorblad eller en rotorvinge - Google Patents

Description

150022

Opfindelsen angår en holdeindretning til et rotorblad eller en rotorvinge, især til store vindturbiner, hvilket blad eller vinge har en belastningsoverførende bjælke med et hult, cylindrisk indre skaft, hvilken indretning har en indre bøsningsdel, der ligger an mod skaf- 5 tet langs dettes indre periferi, og som strækker sig en lille smule forbi enden af skaftet, en ydre bøsningsdel, der ligger an mod skaf tet langs dettes ydre periferi, og som ligeledes strækker sig en lille smule forbi enden af skaftet, idet den indre og den ydre bøsningsdel er forbundet med skaftet langs de mod hinanden anliggende flader.

10 Der kendes forskellige holdeindretninger for rotorblade, såsom aeronautiske propellere, og disse kendte holdeindretninger har flanger, trykringe, tryklejer, låseringe og opslidsede kraver. Disse indretninger kræver en eller anden form for modifikation af bladskaftet, såsom udformning af spor eller forhøjninger på dette. Endvidere er 15 skaftdelen i mange af disse kendte holdeindretninger udformet i ét med en indstillingsmekanisme for bladets stigningsvinkel og strukturelt indrettet til at absorbere og overføre både centrifugal kræfter og tværgående belastninger fra bladet og mekanismerne til ændring af stigningsvinklen.

20 Ved fremstilling af store rotorblade, som f.eks. til vindmotorer eller vindmøller, hvor rotorerne ofte har en diameter på 30 - 60 meter, må der anvendes en speciel fabrikationsteknik for at reducere vægt og omkostninger. Endvidere overfører de store roterende blade store belastninger til holdeindretningerne, og for at opnå en god fordeling 25 af belastningerne er det ønskeligt at forbedre konstruktionen af sådanne holdeindretninger.

En måde til reduktion af bladvægten og omkostningerne uden forringelse af den strukturelle stivhed er anvendelse af kompositmaterialer til fremstilling af bladet. Et af kompositmateriale fremstillet blad med 30 en filamentforstærket matrice kan fremstilles ved hjælp af automatiserede viklemaskiner, hvorved den udstrækning, i hvilken bladenes strukturelle integritet afhænger af klæbeforbindelser, kan reduceres.

Typiske filamentmaterialer, der har vist sig at være anvendelige, er glasfiber, kulstof, grafit, "Kevlar" og bor i matricer af epoxyharpiks 150022 2 eller polyester. Der kan også anvendes kompositbånd. Ved blade af denne type er bjælken, der også er filamentopviklet, det hovedbelast-ningsoptagende element. Anvendelsen af en filamentopviklingsproces tillader variation af vægtykkelsen og fiberorienteringen for optimering 5 af styrke og stivhed langs bladet, hvorved der kan opnås udmærkede forskydningsstyrkeegenskaber og en evne til at klare store belastninger.

De fleste kendte kompositblade har stålbjælker, der giver bladet en strukturel understøtning i .hele dets længde og tillader anvendelse af 10 standardholdeindretninger for bladet med indstillingsmekanismer for bladstigningsvinklen udformet i ét med bladbjælkens skaft. For blade med filamentomviklede bjælker er den kendte teknik til at forbinde bladet med navet ikke egnet på grund af de forskellige bjælkematerialer. I forbindelse med blade med sammensatte bjælker har det vist 15 sig ønskeligt at adskille indstillingsmekanismen for bladstigningen fra bladet, idet bladstigningskræfterne overføres fra stigningsindstillingsmekanismen, der er anbragt i navet, til selve bladet gennem adaptere anbragt mellem bladet og navet. Bladholdeindretningen må følgelig være i stand til sikkert at fastholde den sammensatte bjælke 20 og til samtidigt at overføre bladstigningskræfterne fra stigningsindstillingsmekanismen til bladet, og dette skal ske samtidigt med absorbering af de store belastninger, der hidrører fra bladenes store dimensioner.

Ved en kendt hoideindretning af den indledningsvis nævnte art 25 (US-PS 3734642) findes der ganske vist klæbeforbindelser mellem bladskaftet og den ydre bøsningsdel samt mellem skaftet og den indre bøsningsdel, men det vil da kun være den ene klæbeforbindelse, der er kraftoverførende. Belastningen vil under normal drift fra bladskaftet kun blive overført gennem den ydre klæbeforbindelse til den ydre 30 bøsningsdel. Hvis denne klæbeforbindelse ødelægges, kan skaftet med den indre bøsningsdel forskyde sig noget radialt udefter i den ydre bøsningsdel. Derved bliver den indre klæbeforbindelse belastningsoverførende, og som følge af forskydningen optræder der svingninger, der så kan give anledning til ødelæggelse af den ydre klæbefor-35 bindelse.

3 150022

Der kendes endvidere en indretning til fastgørelse af en fiberforstærket rotorvinge, der er anbragt på et nav og indgår i et vindkraftanlæg (DE-AS 1045810). Ved denne indretning findes kun en indre bøsningsdel til overføring af centrifugal kræfterne fra rotorvingen til 5 navet. Denne ydre bøsningsdel, der består af strenge, kan ikke deltage i overføringen af centrifugal kræfterne. Disse strenge hindrer kun, at rotorvingen løsner sig fra rillerne i den inderste bøsningsdel.

Formålet med opfindelsen er at tilvejebringe en holdeindretning, der er forbedret i forhold til de kendte holdeindretninger af den indled-10 ningsvis nævnte art således, at den mere sikkert kan optage de store centrifugalkræfter, der optræder under drift.

Dette opnås ved holdeindretningen ifølge opfindelsen, der er ejendommelig ved, at den ydre bøsningsdel har en radial indadragende flangedel, der ligger an mod forlængelsen af den indre bøsningsdel i 15 nærheden af enden af skaftet, at et sæt bolte strækker sig radialt gennem bøsningsdelene og skaftet og fastgør dette mellem bøsningsdelene, og at et andet sæt bolte lidt uden for enden af skaftet strækker sig radialt gennem og samler den inderste og yderste bøsningsdel. Ved indretningen ifølge opfindelsen kan der i modsætning til, 20 hvad der er tilfældet ved de kendte indretninger, ske en samtidig kraftoverføring fra bladskaftet til rotornavet langs flere baner. Således kan belastningen overføres fra skaftet til navet gennem den forbindelse, fx en klæbeforbindelse, der findes mellem skaftet og den ydre bøsningsdel, gennem klæbeforbindelsen mellem skaftet og den 25 indre bøsningsdel, gennem den direkte bolteforbindelse mellem den indre og den ydre bøsningsdel og gennem bolteforbindelsen mellem skaftet og de to bøsningsdele. Ved opfindelsen er der således blevet tilvejebragt en holdeindretning med den ønskede forbedrede kraftoverføring mellem vingeskaftet og rotornavet.

30 I det følgende vil en udførelsesform for opfindelsen blive nærmere beskrevet under henvisning til tegningen, på hvilken fig. 1 viser et snit i en bladholdeindretning ifølge opfindelsen og fig. 2 et snit efter linjen 2 - 2 i fig. 1.

4 150022 I fig. 1 er der vist en vinge- eller biadbjælke 10, der er fremstillet af et sammensat materiale, og om hvilken der er opviklet en yderbeklædning 12. Den foretrukne sammensætning af bjælken og yderbeklædningen er en filamentopviklet glasfiberepoxysammensætning, 5 selv om andre filamenter og matricer lige så vel som bånd kan anvendes. Opviklingen kan ske ved konventionelle metoder, som ikke danner en del af denne opfindelse. Bladet eller vingen og bjælken kan have en hvilken som helst størrelse, men et stor vindmotorblad med en rotordiameter på over 30 meter er repræsentativ. Sådanne blade 10 vejer mere end 900 kg, og når de monteres og skal rotere i en vindmotor, frembringes der yderst store belastninger på de mekaniske konstruktioner, der holder og understøtter bladet. De fleste blade af denne type er også indrettet til at kunne ændre stigningsvinkel ved drejning om bladets akse, hvilket er en yder ligere kilde til belast-15 ning. Yderligere belastninger frembringes af vindstød, der kan have varierende hastigheder og/eller retninger langs bladets akse eller i forskellige rotationsstillinger. Følgelig er den mekaniske fastholdelse af disse blade en vigtig faktor både i henseende til sikkerhed og i henseende til levetiden for bladet og de tilhørende lastbærende kon-20 struktioner. Anvendelsen af opviklede sammensatte filamentmaterialer til blade og bladbjælker reducerer vægten, men kræver som følge af de sammensatte materialers enestående egenskaber omhu ved fremstillingen af passende mekaniske hoideindretninger.

På tegningen er der vist en bladholdeindretning, som danner et meget 25 stort antal belastningsbaner, og som har en inderste adapterbøsning 14 af metal og en yderste adapterbøsning 16 af metal, fortrinsvis af stål. Bøsningerne er anbragt koncentrisk om bladets akse, og en del af hver bøsning strækker sig i nærheden af og i kontakt med bladbjælken 10, hvorved denne kommer til at ligge mellem bøsningerne 14 30 og 16. Bjælken 10 fastgøres mellem bøsningerne 14 og 16 ved hjælp af en række forskydningskraftoptagende bolte 18 og møtrikker 20, der strækker sig langs bjælkens periferi og er ført gennem huller, der er boret i bøsningerne og bjælken. Boltene kan også forbindes med bjælker og bøsningerne, f.eks. ved indføring af en lille mængde egnet 35 epoxy i bolthullerne før indføringen af boltene 18. Bøsningerne 14 og 16 er også forbundet med bjælken, som det vil blive diskuteret i det følgende.

5 150022 Bøsningerne 14 og 16 strækker sig også et lille stykke forbi den inderste ende af bjælken 10, og den yderste bøsning 16 har en flangedel 22, der strækker sig radialt indefter og er i berøring med en inderste forlængelse af bøsningen 14 for dannelse af en forbindelse 5 24. Den yderste bøsnings flangedel 22 ligger i en lille afstand fra den inderste ende af bjælken 20, så at der dannes et lille mellemrum 26 derimellem for undgåelse af direkte belastninger mellem bjælkeenden og flangedelen 22.

Foruden de to rækker af bolte 18, der forbinder den inderste og 10 yderste bøsning 14 og 16 og strækker sig gennem bjælken 10, er en anden række forskydningskraftoptagende bolte 38 med møtrikker 40 ført gennem huller, der er boret gennem bøsningerne 14 og 16 på et sted, der ligger en lille smule inden for enden af bjælken 10. Boltene 38 kan også fastgøres for opnåelse af forøget styrke.

15 Bladholdeindretningen med bøsningerne 14 og 16 kan fastholde bladbjælken 10 på en sikker måde. Det er nødvendigt med en eller anden -form for organer til forbindelse af bjælken og bjælkeholdeindretningen til rotornavet. Afhængig af den specielle konstruktion kan det være muligt at fastbolte bladholdeindretningen direkte på rotornavet. Til 20 mange anvendelser er det imidlertid nødvendigt at anvende en mellemliggende forbindelsesdel, på hvilken et eksempel er vist i fig. 1, hvor en konisk forbindelsesdel 32 ved sin ene ende er fastboltet til bladholdeindretningen og ved sin anden ende til navakselen 36.

Flere gevindhuller 28 er boret aksialt igennem den yderste bøsning 25 16's flangedel 22, og gevindbolte 30 er monteret i disse huller for fastgørelse af den med flange forsynede ende af forbindelsesdelen 32 til den yderste bøsning 16. En eller flere af boltene 30 kan som vist i fig. 2 erstattes med stifter 34 til formindskelse af den relative bevægelse og vridningsbelastninger mellem den yderste bøsning 16 og 30 forbindelsesdelen 32 mellem bladet og navet. Boltene 30 kan også fastgøres i hullerne 28 ved hjælp af en passende epoxy. Boltene 30 kan om ønsket let fjernes, når man ønsker at demontere motorbladet fra navet.

6 150022

Forbindelsesdelen 32 er ved hjælp af konventionelle organer såsom bolte fastgjort til navakselen 36, der understøttes af ikke viste lejer, og som kan være monteret roterbart omkring sin akse for ændring af bladenes stigningsvinkel. Navet er naturligvis indrettet til at rotere 5 på samme måde som konventionelle rotorer eller propellere.

Bjælken 10's inderste ende eller skaftdel har, som det bedst fremgår af fig. 1, en diameter, der er lidt mindre end den umiddelbart tilgrænsende ydre del af bjælken, så at den inderste ende af bjælken er let konisk og tilspidset indefter mod navet. Denne konstruktion giver 10 en positiv låsning af bladbjælken, idet centrifugalkræfter, der virker i retning af at trække bjælken ud af holdeindretningen, også vil have en kraftkomposant, der virker radialt mod bøsningerne 14 og 16, der igen vil modvirke denne kraftkomposant og tilspænde den tætning, der dannes af den inderste og yderste bøsning, dvs. at bøsningerne 15 virker som en kile til fastholdelse af bjælken.

Bjælken 10 er som tidligere nævnt forbundet med den inderste og yderste adapterbøsning 14 og 16. Ved en foretrukken forbindelsesteknik anvendes den inderste adapterbøsning 14 som en del af den dorn, om hvilken glasfibrene vikles for dannelse af bjælken 10. I 20 begyndelsen vikles fibermaterialet i ét stykke over den inderste adapterbøsning 14, og bøsningen 14’s forbindelsesflade påføres et epoxyklæbemiddel. Den filamenttykkelse, der er nødvendig mellem den inderste og den yderste bøsning, opnås ved at indlægge filamentklæde mellem filamentlagene. De første klædelag anbringes direkte over 25 klæbemidlet på den inderste bøsning 14, og det første skrueformede filamentlag opvikles over klædet, hvorefter der påføres endnu endnu et klædelag og opvikles endnu et skruelinjeformet filamentlag over klædet og så fremdeles, indtil den ønskede tykkelse er opnået. Der kan om nødvendigt anvendes yderligere klædelag i fastholdelsesområ-30 det, men det sidste lag opvikles. I praksis anvendes en udvendig nylonhud til beskyttelse af bjælkens overflade fra kontamination under de efterfølgende fastgørelsesoperationer for adapterbøsningen.

Den. færdige bjælke hærdes ved rumtemperatur i 48 timer, så at materialet i bjælkens fastgørelsesområde kan maskinbearbejdes. Enden

Claims (5)

150022 af bjælken afskæres derefter på et passende sted i forhold til den inderste bøsning, idet opviklingsprocessen dækker hele den inderste bøsning med glasfiber. Derefter maskinbearbejdes bjælkens forbindelsesflade, og bjælken samt de ydre bøsningsforbindelsesflader påføres 5 epoxyklæbemiddel. Den yderste bøsning skubbes derefter ind på bjælken til den ønskede radiale position og fastholdes der, indtil klæbemidlet er hærdnet. Bolthullerne i den yderste bøsning bores fortrinsvis i forvejen og anvendes som skabeloner til boring og op rømning af hullerne i bjælken og den inderste bøsning. Boltene 38 10 monteres derefter, og boltene 18 monteres senere, når bjælkedornen fjernes. Der kan naturligvis anvendes andre fremgangsmåder. Bladholdeindretningen ifølge opfindelsen danner to distinkte belastningsbaner, der dannes af bladet på holdekonstruktionen. For det første overføres forskydnings kræfterne fra bjælken til den inderste og 15 yderste bøsning 14 og 16 via forbindelserne mellem disse, og belastningen på den inderste bøsning overføres videre til den yderste bøsning via boltene 38 og derefter til understøtningskonstruktionen via boltene 30. Endvidere danner boltene 18 en anden bane for den samme belastning. Hvis den ene belastningsbane bryder sammen, er 20 den anden bane derfor i stand til sikkert at overføre belastningen, hvilket resulterer i en særdeles pålidelig holdeindretning. Medens bjælken 10 og dennes skaftdel fortrinsvis er cirkulær og hul, kan andre konstruktioner tilpasses holdeindretningen ifølge opfindelsen. 25 PATENTKRAV

1. Holdeindretning til et rotorblad eller en rotorvinge, især til store vindturbiner, hvilket blad eller vinge har en belastningsoverførende bjælke (10) med et hult, cylindrisk indre skaft, hvilken indretning har en indre bøsningsdel (14), der ligger an mod skaftet langs dettes 30 indre periferi, og som strækker sig en lille smule forbi enden af skaftet, en ydre bøsningsdel (16), der ligger an mod skaftet langs dettes ydre periferi, og som ligeledes strækker sig en lille smule forbi 150022 δ enden af skaftet, idet den indre og den ydre bøsningsdel er forbundet med skaftet langs de mod hinanden anliggende flader, kendetegnet ved, at den ydre bøsningsdel (16) har en radial indadragende flangedel, der ligger an mod forlængelsen af den 5 indre bøsningsdel i nærheden af enden af skaftet, at et sæt bolte (18) strækker sig radialt gennem bøsningsdelene (14, 16) og skaftet (10) og fastgør dette mellem bøsningsdelene, og at et andet sæt bolte (38) lidt uden for enden af skaftet strækker sig radialt gennem og samler den inderste og yderste bøsningsdel (14, 16).

2. Holdeindretning ifølge krav 1, kendeteg n et ved, at den har en forbindelsesdel (32) med en med flange forsynet cirkulær endedel og organer indbefattende et sæt bolte (30), der er anbragt langs periferien af forbindelsesdelen og er ført gennem dennes med flange forsynede del og aksialt ind i 15 den med flange forsynede del af den ydre bøsningsdel (16) i skaftets plan, og ved hjælp af hvilke forbindelsesdelen (32) er forbundet med den ydre bøsningsdel (16).

3. Holdeindretning ifølge krav 2, kendetegnet ved, at mindst én af de aksiale bolte er er-20 stattet af en passtift.

4. Holdeindretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at rotorbladsbjælken (10) indbefattende det nævnte skaft er sammensat af et filamentopviklet kompositmateria-le.

5. Holdeindretning ifølge krav 1, kendetegnet ved, at skaftet er aksialt konisk, og at enden af skaftet har en omkreds, der er lidt mindre end den umiddelbart uden for beliggende del af skaftet, idet skaftet er tilspidset i en sådan retning, at den belastning, der frembringes af på bladet vir-30 kende centrifugal kræfter, overføres til bøsningsdelene (14, 16) i en tværgående retning, hvilket forårsager, at skaftet fastkiles mellem bøsningsdelene.